JP5316648B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが対向する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell in which a fuel gas flow direction and an oxidant gas flow direction face each other.
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の電極（アノードおよびカソード）にそれぞれ反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。 A fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, causes an electrochemical reaction by supplying a reaction gas (a fuel gas and an oxidizing gas) to a pair of electrodes (anode and cathode) arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, respectively. This converts the chemical energy of a substance directly into electrical energy.
燃料電池は、乾燥すると電解質膜のイオン伝導性が低下し、これにより発電性能が低下する。燃料電池の発電性能低下を抑制するために、反応ガスを加湿器で加湿してから燃料電池に供給する場合がある。 When the fuel cell is dried, the ionic conductivity of the electrolyte membrane is lowered, thereby reducing the power generation performance. In order to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell, the reaction gas may be supplied to the fuel cell after being humidified by a humidifier.
また、加湿器を使用せずとも乾燥による発電性能低下を抑制可能な燃料電池として、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが対向する燃料電池（いわゆるカウンターフロー型燃料電池）が知られている（例えば特許文献１参照）。燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが対向する燃料電池では、カソード側の酸化ガス流れ方向に沿った下流の領域とアノード側の燃料ガス流れ方向に沿った上流の領域とが積層方向から見て対峙しているため、カソード側における電気化学反応によって生成された水（水蒸気）が、カソード側の酸化ガス流れ方向に沿った下流領域からアノード側の燃料ガス流れ方向に沿った上流領域に移動し、さらに水蒸気が燃料ガス流れによってアノード側を移動することにより、燃料電池全体の乾燥が抑制され、ひいては発電性能の低下が抑制される。 Further, as a fuel cell capable of suppressing a decrease in power generation performance due to drying without using a humidifier, a fuel cell (so-called counter flow type fuel cell) in which the fuel gas flow direction and the oxidizing gas flow direction face each other is known. (For example, refer to Patent Document 1). In a fuel cell in which the fuel gas flow direction and the oxidant gas flow direction are opposite, the downstream region along the oxidant gas flow direction on the cathode side and the upstream region along the fuel gas flow direction on the anode side are viewed from the stacking direction. Therefore, water (water vapor) generated by the electrochemical reaction on the cathode side moves from the downstream region along the oxidant gas flow direction on the cathode side to the upstream region along the fuel gas flow direction on the anode side. Further, when the water vapor moves on the anode side by the fuel gas flow, the drying of the entire fuel cell is suppressed, and consequently the decrease in the power generation performance is suppressed.
しかしながら、上記従来の燃料電池では、アノード側の燃料ガス流れ方向に沿った上流領域に移動した水蒸気が、すぐにカソード側に戻ってしまったり、燃料電池の系外へ排出されてしまったりして、特にアノード側の燃料ガス流れ方向に沿った下流領域（カソード側の酸化ガス流れ方向に沿った上流領域）において乾燥が十分に抑制されず、発電性能の低下が十分に抑制されない可能性がある。 However, in the conventional fuel cell described above, the water vapor that has moved to the upstream region along the fuel gas flow direction on the anode side may immediately return to the cathode side or be discharged out of the fuel cell system. In particular, drying may not be sufficiently suppressed in the downstream region along the fuel gas flow direction on the anode side (upstream region along the oxidation gas flow direction on the cathode side), and a decrease in power generation performance may not be sufficiently suppressed. .
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが対向する燃料電池において乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to sufficiently suppress a decrease in power generation performance due to drying in a fuel cell in which the fuel gas flow direction and the oxidizing gas flow direction are opposite to each other. .
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 In order to solve at least a part of the above problems, the present invention can be realized as the following forms or application examples.
［適用例１］燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、を備え、
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きい、燃料電池。Application Example 1 A fuel cell,
A power generator layer including an electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane;
A fuel gas flow that is disposed on the anode side of the power generation layer and supplies the fuel gas to the anode while flowing the fuel gas along a fuel gas flow direction substantially perpendicular to a stacking direction in which the layers of the fuel cell are stacked. Road layer,
An oxidizing gas flow path layer that is disposed on the cathode side of the power generation layer and supplies the oxidizing gas to the cathode while allowing the oxidizing gas to flow along the oxidizing gas flow direction facing the fuel gas flow direction. ,
An upstream region including a most upstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region, which is a region where power generation is performed in the fuel cell, and a downstream region including a most downstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region; In comparison, the midstream region, which is the remaining region of the power generation region, has a large water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side.
この燃料電池では、燃料ガス流路層における燃料ガス流れ方向と酸化ガス流路層における酸化ガス流れ方向とが対向する関係にあり、また、発電領域の中流領域は発電領域の燃料ガス流れ方向に沿った上流領域および下流領域と比較してアノード側とカソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きい。そのため、この燃料電池では、比較的多くの水蒸気が上流領域においてカソード側からアノード側に移動すると共に、中流領域におけるアノード側からカソード側への水蒸気の移動が抑制され、比較的多くの水蒸気がアノード側の下流領域に達しカソード側に移動する。そのため、この燃料電池では、下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制することができ、乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。 In this fuel cell, the fuel gas flow direction in the fuel gas channel layer and the oxidant gas flow direction in the oxidant gas channel layer are opposed to each other, and the midstream region of the power generation region is in the fuel gas flow direction of the power generation region. The water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side is large compared to the upstream region and the downstream region. For this reason, in this fuel cell, a relatively large amount of water vapor moves from the cathode side to the anode side in the upstream region, and the movement of water vapor from the anode side to the cathode side in the middle flow region is suppressed, so that a relatively large amount of water vapor flows into the anode region. Reaches the downstream region on the side and moves to the cathode side. Therefore, in this fuel cell, drying can be sufficiently suppressed over the entire power generation region including the downstream region, and a decrease in power generation performance due to drying can be sufficiently suppressed.
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池であって、さらに、
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層を備え、
前記燃料ガス流路層は、前記上流領域および前記下流領域におけるガス流動抵抗が前記中流領域におけるガス流動抵抗より大きく構成されている、燃料電池。Application Example 2 The fuel cell according to Application Example 1, further comprising:
An anode-side diffusion layer disposed between the anode and the fuel gas flow path layer;
The fuel gas channel layer is configured to be configured such that a gas flow resistance in the upstream region and the downstream region is larger than a gas flow resistance in the middle flow region.
この燃料電池では、上流領域および下流領域における燃料ガス流路層のガス流動抵抗が中流領域におけるガス流動抵抗より大きいため、中流領域においては、燃料ガスが燃料ガス流路層を燃料ガス流れ方向に沿って流動するのに対して、上流領域および下流領域においては、少なくとも一部の燃料ガスがアノード側拡散層を燃料ガス流れ方向に沿って流動する。そのため、この燃料電池では、中流領域におけるアノード側とカソード側との間の水蒸気移動抵抗を、上流領域および下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができる。 In this fuel cell, the gas flow resistance of the fuel gas flow path layer in the upstream region and the downstream region is larger than the gas flow resistance in the middle flow region. In contrast, in the upstream region and the downstream region, at least a part of the fuel gas flows through the anode-side diffusion layer along the fuel gas flow direction. Therefore, in this fuel cell, the water vapor movement resistance between the anode side and the cathode side in the midstream region can be made larger than the water vapor movement resistance in the upstream region and the downstream region.
［適用例３］適用例２に記載の燃料電池であって、
前記上流領域および前記下流領域における前記燃料ガス流路層に、ガス流路が閉塞された閉塞部が形成されている、燃料電池。[Application Example 3] The fuel cell according to Application Example 2,
A fuel cell in which a closed portion in which a gas flow path is closed is formed in the fuel gas flow path layer in the upstream area and the downstream area.
この燃料電池では、上流領域および下流領域における燃料ガス流路層にガス流路が閉塞された閉塞部が形成されているため、燃料ガス流路層の上流領域および下流領域におけるガス流動抵抗を中流領域におけるガス流動抵抗より大きくすることができる。 In this fuel cell, since the fuel gas passage layer in the upstream region and the downstream region has a closed portion where the gas passage is closed, the gas flow resistance in the upstream region and the downstream region of the fuel gas passage layer is intermediate. The gas flow resistance in the region can be larger.
［適用例４］適用例１に記載の燃料電池であって、さらに、
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層を備え、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における拡散抵抗が前記上流領域および前記下流領域における拡散抵抗より大きく構成されている、燃料電池。Application Example 4 The fuel cell according to Application Example 1, further comprising:
An anode-side diffusion layer disposed between the anode and the fuel gas flow path layer;
The anode-side diffusion layer is a fuel cell in which a diffusion resistance in the midstream region is greater than a diffusion resistance in the upstream region and the downstream region.
この燃料電池では、アノード側拡散層の中流領域における拡散抵抗が上流領域および下流領域における拡散抵抗より大きいため、中流領域におけるアノード側とカソード側との間の水蒸気移動抵抗を上流領域および下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができる。 In this fuel cell, since the diffusion resistance in the middle region of the anode side diffusion layer is larger than the diffusion resistance in the upstream region and the downstream region, the water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side in the middle region is reduced in the upstream region and the downstream region. It can be greater than the water vapor transfer resistance.
［適用例５］適用例４に記載の燃料電池であって、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における緻密度が前記上流領域および前記下流領域における緻密度より大きい、燃料電池。[Application Example 5] The fuel cell according to Application Example 4,
The anode-side diffusion layer is a fuel cell in which a density in the midstream region is larger than a density in the upstream region and the downstream region.
この燃料電池では、アノード側拡散層の中流領域における緻密度が上流領域および下流領域における緻密度より大きいため、アノード側拡散層の中流領域における拡散抵抗を上流領域および下流領域における拡散抵抗より大きくすることができる。 In this fuel cell, since the density in the middle region of the anode side diffusion layer is larger than the density in the upstream region and the downstream region, the diffusion resistance in the middle region of the anode side diffusion layer is made larger than the diffusion resistance in the upstream region and downstream region. be able to.
［適用例６］適用例４に記載の燃料電池であって、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。[Application Example 6] The fuel cell according to Application Example 4,
The anode-side diffusion layer is a fuel cell in which the thickness in the middle flow region is thicker than the thickness in the upstream region and the downstream region.
この燃料電池では、アノード側拡散層の中流領域における厚さが上流領域および下流領域における厚さより厚いため、アノード側拡散層の中流領域における拡散抵抗を上流領域および下流領域における拡散抵抗より大きくすることができる。 In this fuel cell, since the thickness in the middle region of the anode diffusion layer is thicker than the thickness in the upstream region and downstream region, the diffusion resistance in the middle region of the anode diffusion layer should be larger than the diffusion resistance in the upstream region and downstream region. Can do.
［適用例７］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記アノードは、前記中流領域における触媒担持カーボン量に対するアイオノマー量の比の値が前記上流領域および前記下流領域における前記比の値より大きい、燃料電池。[Application Example 7] The fuel cell according to Application Example 1,
The anode is a fuel cell, wherein a value of a ratio of an ionomer amount to a catalyst-carrying carbon amount in the middle flow region is larger than a value of the ratio in the upstream region and the downstream region.
この燃料電池では、アノードの中流領域における触媒担持カーボン量に対するアイオノマー量の比の値が上流領域および下流領域における比の値より大きいため、中流領域におけるアノード側とカソード側との間の水蒸気移動抵抗を上流領域および下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができる。 In this fuel cell, since the value of the ratio of the ionomer amount to the amount of carbon supported on the catalyst in the middle stream region of the anode is larger than the ratio value in the upstream region and the downstream region, the water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side in the midstream region Can be made larger than the water vapor movement resistance in the upstream region and the downstream region.
［適用例８］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記アノードは、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。[Application Example 8] The fuel cell according to Application Example 1,
The anode is a fuel cell, wherein a thickness in the midstream region is larger than a thickness in the upstream region and the downstream region.
この燃料電池では、アノードの中流領域における厚さが上流領域および下流領域における厚さより厚いため、中流領域におけるアノード側とカソード側との間の水蒸気移動抵抗を上流領域および下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができる。 In this fuel cell, since the thickness of the anode in the middle stream region is larger than the thickness in the upstream region and the downstream region, the water vapor movement resistance between the anode side and the cathode side in the middle flow region is greater than the water vapor movement resistance in the upstream region and the downstream region. Can be bigger.
［適用例９］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記中流領域におけるイオン交換容量が前記上流領域および前記下流領域におけるイオン交換容量より小さい、燃料電池。[Application Example 9] The fuel cell according to Application Example 1,
The electrolyte membrane is a fuel cell, wherein an ion exchange capacity in the midstream region is smaller than an ion exchange capacity in the upstream region and the downstream region.
この燃料電池では、電解質膜の中流領域におけるイオン交換容量が上流領域および下流領域におけるイオン交換容量より小さいため、中流領域におけるアノード側とカソード側との間の水蒸気移動抵抗を上流領域および下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができる。 In this fuel cell, since the ion exchange capacity in the middle region of the electrolyte membrane is smaller than the ion exchange capacity in the upstream region and the downstream region, the water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side in the middle region is reduced in the upstream region and the downstream region. It can be greater than the water vapor transfer resistance.
［適用例１０］適用例１に記載の燃料電池であって、さらに、
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層を備え、
前記アノード側拡散層は、前記中流領域において圧縮されていることにより、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより薄く、
前記アノードは、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。[Application Example 10] The fuel cell according to Application Example 1, further comprising:
An anode-side diffusion layer disposed between the anode and the fuel gas flow path layer;
The anode side diffusion layer is compressed in the midstream region, so that the thickness in the midstream region is thinner than the thickness in the upstream region and the downstream region,
The anode is a fuel cell, wherein a thickness in the midstream region is larger than a thickness in the upstream region and the downstream region.
この燃料電池では、アノード側拡散層が中流領域において圧縮されているため、中流領域におけるアノード側拡散層の拡散抵抗が上流領域および下流領域におけるアノード側拡散層の拡散抵抗より大きく、中流領域におけるアノード側とカソード側との間の水蒸気移動抵抗を上流領域および下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができる。また、この燃料電池では、アノードの中流領域における厚さが上流領域および下流領域における厚さより厚いため、中流領域におけるアノード側とカソード側との間の水蒸気移動抵抗を上流領域および下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができる。そのため、この燃料電池では、下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制することができ、乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。また、この燃料電池では、中流領域におけるアノードの厚さが上流領域および下流領域におけるアノードの厚さよりも厚くなっていると共に、中流領域におけるアノード側拡散層の厚さが上流領域および下流領域におけるアノード側拡散層の厚さよりも薄くなっているため、燃料電池の電気的特性や排水特性の悪化や製造工程の煩雑化を抑制することができる。 In this fuel cell, since the anode side diffusion layer is compressed in the midstream region, the diffusion resistance of the anode side diffusion layer in the midstream region is larger than the diffusion resistance of the anode side diffusion layer in the upstream region and the downstream region, and the anode in the midstream region The water vapor movement resistance between the side and the cathode side can be made larger than the water vapor movement resistance in the upstream region and the downstream region. Further, in this fuel cell, since the thickness in the midstream region of the anode is larger than the thickness in the upstream region and the downstream region, the water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side in the midstream region is reduced. Can be greater than resistance. Therefore, in this fuel cell, drying can be sufficiently suppressed over the entire power generation region including the downstream region, and a decrease in power generation performance due to drying can be sufficiently suppressed. Further, in this fuel cell, the anode thickness in the middle flow region is larger than the anode thickness in the upstream region and the downstream region, and the anode diffusion layer thickness in the middle flow region is the anode in the upstream region and the downstream region. Since it is thinner than the thickness of the side diffusion layer, it is possible to suppress deterioration of electrical characteristics and drainage characteristics of the fuel cell and complication of the manufacturing process.
［適用例１１］適用例３に記載の燃料電池であって、
前記酸化ガス流路層は、前記燃料電池の前記上流領域に配置されると共に水の滞留を促進する水滞留部を有する、燃料電池。[Application Example 11] The fuel cell according to Application Example 3,
The oxidant gas flow path layer is disposed in the upstream region of the fuel cell and has a water retention part that promotes retention of water.
この燃料電池では、酸化ガス流路層が燃料電池の上流領域に配置されると共に水の滞留を促進する水滞留部を有するため、上流領域においてカソード側で水が不足することが抑制され、カソード側からアノード側への水移動が効率よく行われる。そのため、この燃料電池では、下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制することができ、乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。 In this fuel cell, the oxidizing gas flow path layer is disposed in the upstream region of the fuel cell and has a water retention portion that promotes the retention of water, so that the shortage of water on the cathode side in the upstream region is suppressed. Water is efficiently transferred from the side to the anode side. Therefore, in this fuel cell, drying can be sufficiently suppressed over the entire power generation region including the downstream region, and a decrease in power generation performance due to drying can be sufficiently suppressed.
［適用例１２］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス流路層は、前記燃料電池の前記上流領域および前記下流領域に、前記燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有する閉塞流路が形成されていると共に、前記燃料電池の前記中流領域に、前記燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有しない直線状の流路が形成されている、燃料電池。[Application Example 12] The fuel cell according to Application Example 1,
The fuel gas flow path layer has a closed flow path formed in the upstream region and the downstream region of the fuel cell, each of which includes a portion that blocks the flow of the fuel gas along the fuel gas flow direction. A fuel cell, wherein a linear flow path that does not have a portion that blocks the flow of the fuel gas along the fuel gas flow direction is formed in the middle flow region of the fuel cell.
この燃料電池では、燃料電池の上流領域および下流領域では、燃料ガス流路層に燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有する閉塞流路が形成されているため、燃料ガス流路層から発電体層側への燃料ガスの流動が促進される。また、燃料電池の中流領域では、燃料ガス流路層に燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有しない直線状の流路が形成されているため、燃料ガス流路層から発電体層側への燃料ガスの流動が促進されることはない。そのため、この燃料電池では、中流領域におけるアノード側とカソード側との間の水蒸気移動抵抗を上流領域および下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができ、下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制することができ、乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。 In this fuel cell, in the upstream region and the downstream region of the fuel cell, the fuel gas channel layer is formed with a closed flow path having a portion that blocks the flow of the fuel gas along the fuel gas flow direction. The flow of the fuel gas from the flow path layer to the power generator layer side is promoted. Further, in the middle region of the fuel cell, the fuel gas channel layer is formed with a linear channel that does not have a portion that blocks the flow of the fuel gas along the fuel gas flow direction. The flow of the fuel gas from the power generator layer to the power generator layer side is not promoted. Therefore, in this fuel cell, the water vapor movement resistance between the anode side and the cathode side in the midstream region can be made larger than the water vapor movement resistance in the upstream region and the downstream region, and the entire power generation region including the downstream region can be dried. It can be sufficiently suppressed, and a decrease in power generation performance due to drying can be sufficiently suppressed.
［適用例１３］適用例１ないし適用例１２のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記中流領域は、前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った中央位置を含む領域である、燃料電池。[Application Example 13] The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 12,
The midstream region is a fuel cell that includes a central position of the power generation region along the fuel gas flow direction.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池システム等の形態で実現することができる。 In addition, this invention can be implement | achieved in various aspects, for example, can be implement | achieved with forms, such as a fuel cell and a fuel cell system.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described based on examples.
Ａ．第１実施例：
図１および図２は、第１実施例における燃料電池の構成を概略的に示す説明図である。図１および図２に示すように、本実施例の燃料電池１００は、発電モジュール２００とセパレータ６００とが交互に積層されたスタック構造を有している。なお、図２には、スタック構造をわかりやすく示すために、燃料電池１００に含まれる複数の発電モジュール２００およびセパレータ６００の内の一部のみを抜き出して示している。A. First embodiment:
1 and 2 are explanatory views schematically showing the configuration of the fuel cell in the first embodiment. As shown in FIGS. 1 and 2, the
図１に示すように、燃料電池１００は、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガスが排出される酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０と、燃料ガスが排出される燃料ガス排出マニホールド１４０と、冷却媒体が供給される冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体が排出される冷却媒体排出マニホールド１６０と、を有している。酸化ガスとしては例えば空気が用いられ、燃料ガスとしては例えば水素ガスが用いられる。酸化ガスおよび燃料ガスは反応ガスとも呼ばれる。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。
As shown in FIG. 1, the
図３は、発電モジュール２００の正面図（図２における右側から見た図）である。図４は、図３におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。図４には、発電モジュール２００と共に、発電モジュール２００を挟持する一対のセパレータ６００も示している。
FIG. 3 is a front view of the power generation module 200 (viewed from the right side in FIG. 2). 4 is a cross-sectional view showing an AA cross section in FIG. 3. FIG. 4 also shows a pair of
発電モジュール２００は、積層部８００とシール部材７００とから構成されている。積層部８００は、図４に示すように、発電体層８１０と、アノード側拡散層８２０と、カソード側拡散層８３０と、アノード側多孔体流路層８４０と、カソード側多孔体流路層８５０と、が積層された構成を有している。積層部８００を構成する各層８１０〜８５０は、略矩形形状の板状部材である。
The
発電体層８１０は、一方の面にカソードとしての触媒層が配置され、他方の面にアノードとしての触媒層が配置されたイオン交換膜である（触媒層の図示は省略）。発電体層８１０は、膜・電極接合体またはＭＥＡとも呼ばれる。イオン交換膜は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され、湿潤状態において良好なイオン導電性を有する。触媒層は、例えば、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。
The
アノード側拡散層８２０は、発電体層８１０のアノード側の面に接して配置され、カソード側拡散層８３０は、発電体層８１０のカソード側の面に接して配置される。アノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。
The anode-
アノード側多孔体流路層８４０は、発電体層８１０のアノード側にアノード側拡散層８２０を挟んで配置され、カソード側多孔体流路層８５０は、発電体層８１０のカソード側にカソード側拡散層８３０を挟んで配置されている。カソード側多孔体流路層８５０は、カソード側に配置されたセパレータ６００の表面に接触し、アノード側多孔体流路層８４０は、アノード側に配置された他のセパレータ６００の表面に接触する。アノード側多孔体流路層８４０およびカソード側多孔体流路層８５０は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。アノード側多孔体流路層８４０およびカソード側多孔体流路層８５０は、上述したアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０より空孔率が高く、内部におけるガスの流動抵抗がアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０より低く、後述するように反応ガスが流動する流路として機能する。アノード側多孔体流路層８４０は、本発明における燃料ガス流路層に相当し、カソード側多孔体流路層８５０は、本発明における酸化ガス流路層に相当する。
The anode-side porous
シール部材７００は、図３に示すように、積層部８００の面方向の外周に全周に亘って配置されている。シール部材７００は、金型のキャビティに積層部８００の外周端部を臨ませて、成形材料を射出成形することによって作製され、これによって積層部８００の外周端に隙間なく気密に一体化される。シール部材７００は、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーによって形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられる。
As shown in FIG. 3, the
シール部材７００は、支持部７１０と、支持部７１０の両面に配置され、シールラインを形成するリブ７２０とを備えている。図３および図４に示すように、支持部７１０には、図１における各マニホールド１１０〜１６０に対応する貫通孔（マニホールド孔）が形成されている。リブ７２０は、図４に示すように、隣接するセパレータ６００に密着してセパレータ６００との間をシールし、反応ガス（本実施例では水素および空気）や冷却水の漏洩を防止する。リブ７２０は、図３に示すように、積層部８００の全周を囲むシールラインと、個々のマニホールド孔の全周を囲むシールラインとを形成する。
The
本実施例のセパレータ６００は、アノードプレート３００と、カソードプレート４００と、中間プレート５００と、から構成されている。図５は、カソードプレート４００の形状を示す説明図である。図６は、アノードプレート３００の形状を示す説明図である。図７は、中間プレート５００の形状を示す説明図である。図５〜図７は、各プレート４００、３００、５００を図２の右側から見た様子を示している。また、図８は、セパレータ６００の正面図である。図５〜図８において、各プレート３００、４００、５００およびセパレータ６００の中央部に一点鎖線で示す領域は、燃料電池１００において実際に発電が行われる領域（以下、発電領域ＤＡと呼ぶ）である。本実施例の燃料電池１００では、発電領域ＤＡは、積層部８００の発電体層８１０が配置される領域である。発電領域ＤＡは、発電体層８１０が略矩形形状であるため、同様に略矩形形状である。
The
なお、以下の説明では、発電領域ＤＡの図５〜図８における上方の辺（酸化ガス供給マニホールド１１０に近接する辺）を第１の辺Ｓ１と呼び、同様に、右方の辺（冷却媒体排出マニホールド１６０に近接する辺）を第２の辺Ｓ２と、下方の辺（酸化ガス排出マニホールド１２０に近接する辺）を第３の辺Ｓ３と、左方の辺（冷却媒体供給マニホールド１５０に近接する辺）を第４の辺Ｓ４と、それぞれ呼ぶ。 In the following description, the upper side (side near the oxidizing gas supply manifold 110) in FIGS. 5 to 8 of the power generation area DA is referred to as the first side S1, and similarly, the right side (cooling medium) The side close to the exhaust manifold 160) is the second side S2, the lower side (side adjacent to the oxidizing gas discharge manifold 120) is the third side S3, and the left side (close to the cooling medium supply manifold 150). Side) is referred to as a fourth side S4.
カソードプレート４００（図５）は、例えばステンレス鋼で形成されている。カソードプレート４００は、カソードプレート４００を厚さ方向に貫通する貫通孔として、６個のマニホールド形成部４２２，４２４，４２６，４２８，４３０，４３２と、酸化ガス供給スリット４４０と、酸化ガス排出スリット４４４と、を有している。マニホールド形成部４２２〜４３２は、上述した各種マニホールド１１０〜１６０を形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡより外側に設けられている。酸化ガス供給スリット４４０は、略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側に、第１の辺Ｓ１のほぼ全長に沿って配置されている。酸化ガス排出スリット４４４は、酸化ガス供給スリット４４０と同様に略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側に、第３の辺Ｓ３のほぼ全長に沿って配置されている。
The cathode plate 400 (FIG. 5) is made of, for example, stainless steel. The
アノードプレート３００（図６）は、カソードプレート４００と同様に、例えばステンレス鋼で形成されている。アノードプレート３００は、アノードプレート３００を厚さ方向に貫通する貫通孔として、６個のマニホールド形成部３２２，３２４，３２６，３２８，３３０，３３２と、燃料ガス供給スリット３５０と、燃料ガス排出スリット３５４と、を有している。マニホールド形成部３２２〜３３２は、上述した各種マニホールド１１０〜１６０を形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡより外側に設けられている。燃料ガス供給スリット３５０は、発電領域ＤＡの内側に、第３の辺Ｓ３に沿って、上述したカソードプレート４００の酸化ガス排出スリット４４４と積層方向から見た位置が重ならないように配置されている。燃料ガス排出スリット３５４は、発電領域ＤＡの内側に、第１の辺Ｓ１に沿って、上述したカソードプレート４００の酸化ガス供給スリット４４０と積層方向から見た位置が重ならないように配置されている。
Similar to the
中間プレート５００（図７）は、上述の各プレート３００，４００と同様、例えばステンレス鋼で形成されている。中間プレート５００は、中間プレート５００を厚さ方向に貫通する貫通孔として、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のための４つのマニホールド形成部５２２，５２４，５２６，５２８と、複数の酸化ガス供給流路形成部５４２と、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４と、一つの燃料ガス供給流路形成部５４６と、一つの燃料ガス排出流路形成部５４８と、複数の冷却媒体流路形成部５５０と、を有している。マニホールド形成部５２２〜５２８は、上述した各種マニホールド１１０〜１４０を形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡより外側に設けられている。冷却媒体流路形成部５５０は、発電領域ＤＡを図７における左右方向（第１の辺Ｓ１に平行な方向）に横断する長孔形状を有しており、その両端は発電領域ＤＡの外側に至っている。すなわち、冷却媒体流路形成部５５０は、発電領域ＤＡの第２の辺Ｓ２および第４の辺Ｓ４を横切るように形成されている。各冷却媒体流路形成部５５０は、図８における上下方向（第２の辺Ｓ２に平行な方向）に沿って、所定間隔をあけて並設されている。
The intermediate plate 500 (FIG. 7) is formed of, for example, stainless steel, like the above-described
中間プレート５００の複数の酸化ガス供給流路形成部５４２の一端はマニホールド形成部５２２と連通しており、複数の酸化ガス供給流路形成部５４２とマニホールド形成部５２２とは全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス供給流路形成部５４２の他端は、積層方向から見て上述したカソードプレート４００の酸化ガス供給スリット４４０と重なる位置まで延びている。そのため、セパレータ６００を構成した際に、各酸化ガス供給流路形成部５４２は、酸化ガス供給スリット４４０と連通する。
One end of the plurality of oxidizing gas supply flow
中間プレート５００の複数の酸化ガス排出流路形成部５４４の一端はマニホールド形成部５２４と連通しており、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４とマニホールド形成部５２４とは全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス排出流路形成部５４４の他端は、積層方向から見て上述したカソードプレート４００の酸化ガス排出スリット４４４と重なる位置まで延びている。そのため、セパレータ６００を構成した際に、各酸化ガス排出流路形成部５４４は、酸化ガス排出スリット４４４と連通する。
One end of the plurality of oxidizing gas discharge flow
中間プレート５００の燃料ガス供給流路形成部５４６の一端は、マニホールド形成部５２６と連通している。燃料ガス供給流路形成部５４６は、第２の辺Ｓ２を横切って、上述した酸化ガス排出流路形成部５４４と重ならないように第３の辺Ｓ３に沿って延び、その他端は発電領域ＤＡの第４の辺Ｓ４近くにまで達している。つまり、燃料ガス供給流路形成部５４６は概ね第３の辺Ｓ３の全長に亘って延びている。燃料ガス供給流路形成部５４６のうち、発電領域ＤＡの内側の部分は、積層方向から見て上述したアノードプレート３００の燃料ガス供給スリット３５０と重なる。そのため、セパレータ６００を構成した際に、燃料ガス供給流路形成部５４６は燃料ガス供給スリット３５０と連通する。
One end of the fuel gas supply flow
中間プレート５００の燃料ガス排出流路形成部５４８の一端は、マニホールド形成部５２８と連通している。燃料ガス排出流路形成部５４８は、第４の辺Ｓ４を横切って、上述した酸化ガス供給流路形成部５４２と重ならないように第１の辺Ｓ１に沿って延び、その他端は発電領域ＤＡの第２の辺Ｓ２近くにまで達している。つまり、燃料ガス排出流路形成部５４８は概ね第１の辺Ｓ１の全長に亘って延びている。燃料ガス排出流路形成部５４８のうち、発電領域ＤＡの内側の部分は、積層方向から見て上述したアノードプレート３００の燃料ガス排出スリット３５４と重なる。そのため、セパレータ６００を構成した際に、燃料ガス排出流路形成部５４８は燃料ガス排出スリット３５４と連通する。
One end of the fuel gas discharge flow
図８には、上述した各プレート３００、４００、５００を用いて作製されたセパレータ６００の正面図が示されている。セパレータ６００は、中間プレート５００をアノードプレート３００およびカソードプレート４００で挟持するように中間プレート５００の両面にそれぞれ接合し、中間プレート５００における冷却媒体供給マニホールド１５０および冷却媒体排出マニホールド１６０に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。３枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられる。この結果、図８においてハッチングで示す貫通部である６つのマニホールド１１０〜１６０と、複数の酸化ガス供給流路６５０と、複数の酸化ガス排出流路６６０と、燃料ガス供給流路６３０と、燃料ガス排出流路６４０と、複数の冷却媒体流路６７０とを備えたセパレータ６００が得られる。
FIG. 8 shows a front view of a
図８に示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０は、発電領域ＤＡの外側に、第１の辺Ｓ１に沿って、第１の辺Ｓ１の全長に亘って形成される。酸化ガス排出マニホールド１２０は、発電領域ＤＡの外側に、第３の辺Ｓ３に沿って、第３の辺Ｓ３の全長に亘って形成される。燃料ガス供給マニホールド１３０は、第２の辺Ｓ２のうちの第３の辺Ｓ３に近い位置の一部に沿って形成され、第２の辺Ｓ２のうちの残りの部分に沿って冷却媒体排出マニホールド１６０が形成される。燃料ガス排出マニホールド１４０は、第４の辺Ｓ４のうちの第１の辺Ｓ１に近い位置の一部に沿って形成され、第４の辺Ｓ４のうちの残りの部分に沿って冷却媒体供給マニホールド１５０が形成される。
As shown in FIG. 8, the oxidizing
図８に示すように、複数の酸化ガス供給流路６５０は、上述したカソードプレート４００の酸化ガス供給スリット４４０と、中間プレート５００の酸化ガス供給流路形成部５４２の一つとによって形成される。各酸化ガス供給流路６５０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス供給マニホールド１１０と連通し、他端がセパレータ６００のカソードプレート４００側の表面（カソード側表面）に至って開口する流路である。この開口は、酸化ガス供給スリット４４０に対応する。
As shown in FIG. 8, the plurality of oxidizing
また、図８に示すように、複数の酸化ガス排出流路６６０は、上述したカソードプレート４００の酸化ガス排出スリット４４４と、中間プレート５００の酸化ガス排出流路形成部５４４の一つとによって形成される。各酸化ガス排出流路６６０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス排出マニホールド１２０と連通し、他端がセパレータ６００のカソード側表面に至って開口する流路である。この開口は、酸化ガス排出スリット４４４に対応する。
As shown in FIG. 8, the plurality of oxidizing
また、図８に示すように、燃料ガス排出流路６４０は、上述したアノードプレート３００の燃料ガス排出スリット３５４と、中間プレート５００の燃料ガス排出流路形成部５４８とによって形成される。燃料ガス排出流路６４０は、一端が燃料ガス排出マニホールド１４０と連通し、他端がセパレータ６００のアノードプレート３００側の表面（アノード側表面）に至って開口する内部流路である。この開口は、燃料ガス排出スリット３５４に対応する。
As shown in FIG. 8, the fuel
また、図８に示すように、燃料ガス供給流路６３０は、上述したアノードプレート３００の燃料ガス供給スリット３５０と、中間プレート５００の燃料ガス供給流路形成部５４６とによって形成される。燃料ガス供給流路６３０は、一端が燃料ガス供給マニホールド１３０と連通し、他端がセパレータ６００のアノード側表面に至って開口する内部流路である。この開口は、燃料ガス供給スリット３５０に対応する。
Further, as shown in FIG. 8, the fuel gas
また、図８に示すように、複数の冷却媒体流路６７０は、上述した中間プレート５００に形成された冷却媒体流路形成部５５０によって形成され、一端が冷却媒体供給マニホールド１５０に、他端が冷却媒体排出マニホールド１６０に連通している。
Further, as shown in FIG. 8, the plurality of cooling
燃料電池１００の発電中には、発電に伴う発熱による燃料電池１００の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０に冷却媒体が供給される。冷却媒体供給マニホールド１５０に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド１５０から冷却媒体流路６７０に供給される。冷却媒体流路６７０に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０の一端から他端まで流動し、冷却媒体排出マニホールド１６０に排出される。
During power generation of the
図９は、燃料電池１００における反応ガスの流れを示す説明図である。図９（ａ）には、図８におけるＢ−Ｂ断面を示している。図９（ｂ）には、右側半分が図８におけるＤ−Ｄ断面を示しており、左側半分が図８におけるＣ−Ｃ断面を示している。図９には、燃料電池１００における２つの発電モジュール２００と２つのセパレータ６００とを抜き出して示している。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the flow of the reaction gas in the
図９（ａ）に示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０には酸化ガス（空気）が供給される。酸化ガス供給マニホールド１１０に供給された酸化ガスは、図９（ａ）において矢印で示すように、酸化ガス供給流路６５０を通って、酸化ガス供給流路６５０のカソード側表面の開口からカソード側多孔体流路層８５０に進入する。カソード側多孔体流路層８５０に進入した酸化ガスは、酸化ガス流路を形成するカソード側多孔体流路層８５０の内部を酸化ガス供給マニホールド１１０から酸化ガス排出マニホールド１２０に向かう方向に沿って流動する。この流動方向は、図８において白抜きの矢印で示す方向であり、本発明における酸化ガス流れ方向に相当する。カソード側多孔体流路層８５０内を流動した酸化ガスは、酸化ガス排出流路６６０のカソード側表面の開口から酸化ガス排出流路６６０に流入し、酸化ガス排出マニホールド１２０へと排出される。カソード側多孔体流路層８５０を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体流路層８５０に当接しているカソード側拡散層８３０の全体に亘って拡散し、発電体層８１０のカソードに供給され、カソード反応（例えば、２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ）に供される。
As shown in FIG. 9A, the oxidizing
図９（ｂ）に示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０には燃料ガス（水素ガス）が供給される。燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、図９（ｂ）において矢印で示すように、燃料ガス供給流路６３０を通って、燃料ガス供給流路６３０のアノード側表面の開口からアノード側多孔体流路層８４０に進入する。アノード側多孔体流路層８４０に進入した燃料ガスは、燃料ガス流路を形成するアノード側多孔体流路層８４０の内部を酸化ガス排出マニホールド１２０から酸化ガス供給マニホールド１１０に向かう方向に沿って流動する。この流動方向は、図８において黒塗りの矢印で示す方向であり、本発明における燃料ガス流れ方向に相当する。アノード側多孔体流路層８４０内を流動した燃料ガスは、燃料ガス排出流路６４０のアノード側表面の開口から燃料ガス排出流路６４０に流入し、燃料ガス排出マニホールド１４０へと排出される。アノード側多孔体流路層８４０を流動する燃料ガスの一部は、アノード側多孔体流路層８４０に当接しているアノード側拡散層８２０の全体に亘って拡散し、発電体層８１０のアノードに供給され、アノード反応（例えば、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）に供される。
As shown in FIG. 9B, fuel gas (hydrogen gas) is supplied to the fuel
このように本実施例の燃料電池１００では、発電領域ＤＡにおいて、酸化ガスが面方向（積層方向に略直交する方向）に沿って流動する方向（図８の白抜き矢印で示す方向）と、燃料ガスが面方向に沿って流動する方向（図８の黒塗り矢印で示す方向）とが、対向する方向となっている。すなわち、本実施例の燃料電池１００は、カウンターフロー型の燃料電池である。
As described above, in the
カウンターフロー型の燃料電池では、カソード側の酸化ガス流れ方向に沿った下流の領域とアノード側の燃料ガス流れ方向に沿った上流の領域とが積層方向に沿って対峙しているため、カソード側における電気化学反応によって生成された水（水蒸気）が、カソード側の酸化ガス流れ方向に沿った下流領域からアノード側の燃料ガス流れ方向に沿った上流領域に移動し、さらに水蒸気が燃料ガス流れにのってアノード側を移動することにより、燃料電池全体の乾燥が抑制され、ひいては発電性能の低下が抑制される。従って、加湿器を用いない無加湿運転を行うことができる。 In the counter flow type fuel cell, the downstream region along the oxidant gas flow direction on the cathode side and the upstream region along the fuel gas flow direction on the anode side face each other along the stacking direction. The water (water vapor) generated by the electrochemical reaction in the gas moves from the downstream region along the oxidant gas flow direction on the cathode side to the upstream region along the fuel gas flow direction on the anode side. Accordingly, by moving on the anode side, drying of the entire fuel cell is suppressed, and consequently, a decrease in power generation performance is suppressed. Therefore, a non-humidifying operation without using a humidifier can be performed.
以下、図１０および図１１を参照して、燃料電池１００のアノード側の構成および燃料ガスの流れについてより詳細に説明する。図１０および図１１は、燃料電池１００の断面図である。図１０には、図９（ａ）のＸ１部の断面を拡大して示しており、図１１には、図９（ａ）のＸ２部の断面を拡大して示している。図１０および図１１に示すように、本実施例の燃料電池１００の発電領域ＤＡには、図８に示した燃料ガス流れ方向に沿って並ぶ３つの領域、すなわちアノード上流領域、アノード中流領域、アノード下流領域が設定されている。アノード上流領域は、発電領域ＤＡの内の燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む領域であり、アノード下流領域は、発電領域ＤＡの内の燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む領域であり、アノード中流領域は、発電領域ＤＡの内の残りの領域である。本実施例では、アノード上流領域は、発電領域ＤＡの燃料ガス流れ方向に沿った全幅の４分の１の幅を有し、アノード下流領域は、当該全幅の８分の１の幅を有し、アノード中流領域は、残りの幅（すなわち全幅の８分の５の幅）を有する。従って、アノード中流領域は、発電領域ＤＡの燃料ガス流れ方向に沿った中央位置を含む領域である。なお、本実施例の燃料電池１００はカウンターフロー型の燃料電池であるため、アノード上流領域は、発電領域ＤＡの内の酸化ガス流れ方向に沿った下流に位置する領域であり、アノード下流領域は、発電領域ＤＡの内の酸化ガス流れ方向に沿った上流に位置する領域である。
Hereinafter, the anode side configuration of the
図１０および図１１に示すように、本実施例の燃料電池１００では、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側多孔体流路層８４０に、ガス流路が閉塞されガス流動抵抗の大きい閉塞部８４２が形成されている。閉塞部８４２は、アノード側多孔体流路層８４０のアノード上流領域およびアノード下流領域の位置に、多孔質材料ではなく緻密質材料を配置することによって設けられる。あるいは、閉塞部８４２は、アノード側多孔体流路層８４０のアノード上流領域およびアノード下流領域の位置において、多孔質材料に対して内部流路を閉塞するための加工（圧縮加工等）を行うことによって設けられるとしてもよい。
As shown in FIGS. 10 and 11, in the
アノード上流領域ではアノード側多孔体流路層８４０に閉塞部８４２が形成されているため、図１０において矢印で示すように、燃料ガス供給流路６３０を介してアノード側に供給された燃料ガスの少なくとも一部は、ガス流動抵抗の大きい閉塞部８４２ではなく、よりガス流動抵抗の低いアノード側拡散層８２０内を燃料ガス流れ方向に沿って流動する。燃料ガスがアノード中流領域に達すると、燃料ガスは、アノード側拡散層８２０から、よりガス流動抵抗の低いアノード側多孔体流路層８４０内に移動し、燃料ガス流れ方向に沿って流動する。アノード下流領域ではアノード側多孔体流路層８４０に閉塞部８４２が形成されているため、図１１において矢印で示すように、燃料ガスがアノード下流領域に達すると、少なくとも一部の燃料ガスは、ガス流動抵抗の大きい閉塞部８４２ではなく、よりガス流動抵抗の低いアノード側拡散層８２０内を燃料ガス流れ方向に沿って流動する。
Since the
このように、本実施例の燃料電池１００では、アノード中流領域においては、燃料ガスがアノード側多孔体流路層８４０内を燃料ガス流れ方向に沿って流動するのに対して、アノード上流領域およびアノード下流領域においては、少なくとも一部の燃料ガスがアノード側拡散層８２０内を燃料ガス流れ方向に沿って流動する。そのため、アノード中流領域におけるアノード側の燃料ガス流とカソード側の酸化ガス流との間にはアノード側拡散層８２０が存在するのに対して、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側の燃料ガス流とカソード側の酸化ガス流との間には（燃料ガスがアノード側拡散層８２０内を流動するため）アノード側拡散層８２０が存在しない。従って、本実施例の燃料電池１００では、各領域におけるアノード側とカソード側との間の（すなわち両極間の）水蒸気移動抵抗を比較すると、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗は、アノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きい。
Thus, in the
図１２は、燃料ガス流の位置と対極からの水移動量との関係を調べる実験結果の一例を示す説明図である。横軸は、燃料ガス流の位置としての燃料ガス流の内側の拡散層厚さである。ポイントＰ１は、燃料ガスがアノード側拡散層８２０内を流動する場合であり、ポイントＰ２−１，Ｐ２−２，Ｐ２−３は、燃料ガスがアノード側多孔体流路層８４０内を流動する場合である。なお、いずれの場合も、酸化ガスはカソード側多孔体流路層８５０内を流動する。図１２からわかるように、燃料ガスがアノード側拡散層８２０内を流動する場合（ポイントＰ１）では、燃料ガスがアノード側多孔体流路層８４０内を流動する場合（ポイントＰ２−１，Ｐ２−２，Ｐ２−３）と比較して、対極からの水（水蒸気）移動量が大きい（すなわち、両極間の水蒸気移動抵抗が小さい）。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing an example of an experimental result for examining the relationship between the position of the fuel gas flow and the amount of water movement from the counter electrode. The horizontal axis is the diffusion layer thickness inside the fuel gas flow as the position of the fuel gas flow. Point P1 is when the fuel gas flows in the anode-
図１３は、燃料電池の各領域における両極間の水蒸気移動抵抗の一例を示す説明図である。図１３（ａ）には、本実施例の燃料電池１００の各領域における両極間の水蒸気移動抵抗を示しており、図１３（ｂ）には、比較例の燃料電池の各領域における両極間の水蒸気移動抵抗を示している。本実施例の燃料電池１００では、上述したように、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗は、アノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きい。一方、比較例の燃料電池は、閉塞部８４２が設けられておらず、水蒸気移動抵抗はすべての領域において一定の値となっている。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing an example of water vapor movement resistance between both electrodes in each region of the fuel cell. FIG. 13A shows the water vapor transfer resistance between the two electrodes in each region of the
図１４は、燃料電池の各領域における両極間の水移動量の計算結果の一例を示す説明図である。図１５は、燃料電池の各領域における相対湿度の計算結果の一例を示す説明図である。これらは、高温（例えば１０５℃）低加湿で運転している場合の計算結果である。また、図１６は、燃料電池における水移動の様子を概念的に示す説明図である。図１４（ａ）には、本実施例の燃料電池１００の各領域における両極間の水（水蒸気）移動量を示しており、図１４（ｂ）には、上述した比較例の燃料電池の各領域における両極間の水移動量を示している。図１４の縦軸は、アノード側からカソード側への水移動量を示しており、値が負であることは、水がカソード側からアノード側へ移動することを表している。図１５（ａ）には、本実施例の燃料電池１００の各領域における相対湿度を示しており、図１５（ｂ）には、上述した比較例の燃料電池の各領域における相対湿度を示している。図１６（ａ）には、本実施例の燃料電池１００における水移動の様子を示しており、図１６（ｂ）には、上述した比較例の燃料電池における水移動の様子を示している。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing an example of a calculation result of the amount of water movement between both poles in each region of the fuel cell. FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating an example of a calculation result of relative humidity in each region of the fuel cell. These are the calculation results when operating at high temperature (for example, 105 ° C.) and low humidification. FIG. 16 is an explanatory diagram conceptually showing the state of water movement in the fuel cell. FIG. 14A shows the amount of water (water vapor) movement between the two electrodes in each region of the
図１３（ｂ）に示すように、比較例の燃料電池では、両極間の水蒸気移動抵抗が各領域において一定の値である。そのため、図１４（ｂ）および図１６（ｂ）に示すように、比較例の燃料電池では、カソード側で生成された水（水蒸気）がアノード上流領域においてカソード側からアノード側に移動するが、アノード側に移動した水蒸気は、燃料ガス流れにのってアノード下流領域方向へと移動する際にアノード中流領域においてカソード側に移動してしまい、アノード側のアノード下流領域にはほとんど達しない。また、アノード側のアノード下流領域に達した水蒸気も、カソード側に移動することなく系外へ排出されてしまう。従って、図１５（ｂ）および図１６（ｂ）に示すように、比較例の燃料電池では、特にアノード下流領域に位置するＭＥＡの部分（図１６（ｂ）の領域Ａ）において乾燥が十分に抑制されず、その結果、発電性能の低下が十分に抑制されない。 As shown in FIG. 13B, in the fuel cell of the comparative example, the water vapor movement resistance between the two electrodes is a constant value in each region. Therefore, as shown in FIG. 14B and FIG. 16B, in the fuel cell of the comparative example, water (water vapor) generated on the cathode side moves from the cathode side to the anode side in the anode upstream region. The water vapor that has moved to the anode side moves to the cathode side in the middle anode region when moving toward the anode downstream region along the fuel gas flow, and hardly reaches the anode downstream region on the anode side. Further, the water vapor reaching the anode downstream region on the anode side is discharged outside the system without moving to the cathode side. Therefore, as shown in FIGS. 15B and 16B, in the fuel cell of the comparative example, the drying is sufficiently performed particularly in the MEA portion (region A in FIG. 16B) located in the anode downstream region. As a result, the decrease in power generation performance is not sufficiently suppressed.
一方、図１３（ａ）に示すように、本実施例の燃料電池１００では、アノード上流領域およびアノード下流領域においてアノード側多孔体流路層８４０に閉塞部８４２が形成されているため、アノード上流領域およびアノード下流領域における両極間の水蒸気移動抵抗は、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗より小さい。そのため、図１４（ａ）および図１６（ａ）に示すように、本実施例の燃料電池１００では、より多くの水蒸気がアノード上流領域においてカソード側からアノード側に移動し、アノード側に移動した水蒸気は、燃料ガス流れにのってアノード下流領域方向へと移動する際にアノード中流領域においてカソード側に移動するものの、比較的多くの水蒸気がアノード側のアノード下流領域に達する。また、アノード側のアノード下流領域に達した水蒸気の多くが、系外へ排出されるのではなく、カソード側（の酸化ガス流れに沿った上流に位置する領域）に移動する。従って、図１５（ａ）および図１６（ａ）に示すように、本実施例の燃料電池１００では、アノード下流領域に位置するＭＥＡの部分（図１６（ａ）の領域Ａ）を含む発電領域ＤＡの全体にわたって、乾燥が十分に抑制され、その結果、発電性能の低下が十分に抑制される。
On the other hand, as shown in FIG. 13A, in the
図１７は、第１実施例の燃料電池の発電性能を調べる実験結果の一例を示す説明図である。図１７に示すように、本実施例の燃料電池１００では、比較例の燃料電池と比較して、特にセル温度が約８０度以上の高温運転時においてセル電圧の低下が抑制されると共に、運転温度に関わらずセル抵抗の増大が抑制されている。
FIG. 17 is an explanatory diagram showing an example of an experimental result for examining the power generation performance of the fuel cell according to the first embodiment. As shown in FIG. 17, in the
以上説明したように、本実施例の燃料電池１００では、アノード上流領域およびアノード下流領域においては、アノード側多孔体流路層８４０に閉塞部８４２が形成されているため、燃料ガスがアノード側多孔体流路層８４０ではなくアノード側拡散層８２０内を流動する。そのため、アノード中流領域におけるアノード側とカソード側との間の（すなわち、両極間の）水蒸気移動抵抗の値は、アノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗の値より大きい。従って、本実施例の燃料電池１００では、比較的多くの生成水（水蒸気）がアノード上流領域においてカソード側からアノード側に移動し、アノード中流領域においてアノード側からカソード側への水蒸気の移動は起こるものの、比較的多くの水蒸気がアノード側のアノード下流領域に達しカソード側に移動する。そのため、本実施例の燃料電池１００では、アノード下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥が十分に抑制され、発電性能の低下が十分に抑制される。
As described above, in the
燃料電池の乾燥は、特に高温運転時（例えばセル温度が約８０度以上で運転する場合）において発生しやすいが、本実施例の燃料電池１００では、高温運転時においてもアノード下流領域における乾燥が有効に抑制され、発電性能の低下が十分に抑制される。従って、本実施例の燃料電池１００を適用した燃料電池システムは、加湿器を省略できると共に、冷却効率を向上させることができることから冷却系装置を小型化・簡素化することができ、燃料電池システムの小型化、簡素化を図ることができる。
Although drying of the fuel cell is likely to occur particularly during high temperature operation (for example, when the cell temperature is about 80 ° C. or more), in the
なお、本実施例の燃料電池１００では、カソード側の構成は従来の構成と変わらない。また、アノード側においては、アノード側多孔体流路層８４０に閉塞部８４２を形成することにより燃料ガスの圧力損失が多少増加するが、発電性能への影響は小さい。特に、燃料ガスを高圧タンクから供給する場合には比較的高圧での燃料ガスの供給が可能であるため、閉塞部８４２を形成することによる発電性能への影響はほとんどない。
In the
Ｂ．第２実施例：
図１８および図１９は、第２実施例における燃料電池の構成を示す説明図である。図１８は、図９（ａ）のＸ１部に相当する部分の拡大断面図であり、図１９は、図９（ａ）のＸ２部に相当する部分の拡大断面図である。第２実施例の燃料電池では、アノード側拡散層８２０の構造が、各領域間で相違している。具体的には、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０のＰＴＦＥ含有率をアノード上流領域およびアノード下流領域におけるＰＴＦＥ含有率より大きくすることにより、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の緻密度を、アノード上流領域およびアノード下流領域における緻密度より大きくしている。そのため、本実施例では、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の拡散抵抗は、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側拡散層８２０の拡散抵抗より大きい。図２０は、アノード側拡散層のＰＴＦＥ含有率と相対有効拡散係数との関係を示す説明図である。図２０に示すように、アノード側拡散層８２０のＰＴＦＥ含有率が大きい（すなわち緻密度が大きい）ほど、アノード側拡散層８２０の拡散係数は小さい（すなわち拡散抵抗は大きい）。なお、緻密度は、「１．０−空隙率」に等しい。B. Second embodiment:
18 and 19 are explanatory views showing the configuration of the fuel cell in the second embodiment. 18 is an enlarged cross-sectional view of a portion corresponding to the X1 portion of FIG. 9A, and FIG. 19 is an enlarged cross-sectional view of a portion corresponding to the X2 portion of FIG. 9A. In the fuel cell of the second embodiment, the structure of the anode
アノード側拡散層８２０の拡散抵抗が大きいと、アノード側とカソード側との間の（すなわち両極間の）水蒸気移動抵抗も大きい。そのため、第２実施例の燃料電池では、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗は、アノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きい。そのため、第２実施例の燃料電池では、第１実施例と同様に、比較的多くの生成水（水蒸気）がアノード上流領域においてカソード側からアノード側に移動し、アノード中流領域におけるアノード側からカソード側への水蒸気の移動は抑制され、比較的多くの水蒸気がアノード側のアノード下流領域に達しカソード側に移動する。従って、第２実施例の燃料電池では、アノード下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥が十分に抑制され、発電性能の低下が十分に抑制される。
When the diffusion resistance of the anode
図２１は、第２実施例の燃料電池の発電性能を調べる実験結果の一例を示す説明図である。図２１に示すように、第２実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池と比較して、特にセル温度が約８０度以上の高温運転時において、セル電圧の低下が抑制されると共にセル抵抗の増大が抑制されている。 FIG. 21 is an explanatory diagram showing an example of an experimental result for examining the power generation performance of the fuel cell of the second embodiment. As shown in FIG. 21, in the fuel cell of the second embodiment, compared with the fuel cell of the comparative example, the cell voltage drop is suppressed and the cell temperature is suppressed particularly during high-temperature operation at a cell temperature of about 80 ° C. or higher. The increase in resistance is suppressed.
なお、第２実施例の燃料電池でも、第１実施例と同様に、カソード側の構成は従来の構成と変わらない。また、アノード側においては、アノード側拡散層８２０の拡散抵抗を大きくすることにより燃料ガスの圧力損失が多少増加するが、発電性能への影響は小さい。特に、燃料ガスを高圧タンクから供給する場合には比較的高圧での燃料ガスの供給が可能であるため、アノード側拡散層８２０の拡散抵抗を変化させることによる発電性能への影響はほとんどない。
In the fuel cell of the second embodiment, the configuration on the cathode side is not different from the conventional configuration, as in the first embodiment. On the anode side, the pressure loss of the fuel gas is slightly increased by increasing the diffusion resistance of the anode
Ｃ．第３実施例：
図２２は、第３実施例における燃料電池の構成を示す説明図である。図２２には、第３実施例の燃料電池１００の積層部８００の断面構成を拡大して示している。図２２に示すように、第３実施例では、アノード中流領域に配置される部分がプレス圧縮加工されたアノード側拡散層８２０が採用されており、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の緻密度がアノード上流領域およびアノード下流領域における緻密度より大きく（すなわち、より緻密に）なっている。そのため、第３実施例では、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の拡散抵抗は、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側拡散層８２０の拡散抵抗より大きくなっている。なお、プレス圧縮加工により、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の厚さＴＧｍは、アノード上流領域におけるアノード側拡散層８２０の厚さＴＧｕおよびアノード下流領域におけるアノード側拡散層８２０の厚さＴＧｌよりも薄くなっている。C. Third embodiment:
FIG. 22 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell in the third embodiment. FIG. 22 shows an enlarged cross-sectional configuration of the stacked
また、第３実施例では、発電体層８１０を構成する各層（電解質膜８０２、アノード側触媒層８０４、カソード側触媒層８０６）の内のアノード側触媒層８０４の厚さＴＣが、各領域において異なっている。具体的には、アノード中流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さＴＣｍは、アノード上流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さＴＣｕおよびアノード下流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さＴＣｌよりも厚くなっている。なお、図２２に示すように、燃料電池において、アノード側拡散層８２０とアノード側触媒層８０４とをあわせた厚さは、各領域（アノード中流領域、アノード上流領域、アノード下流領域）で略同一となっている。
In the third embodiment, the thickness TC of the anode-
図２３は、第３実施例の燃料電池の製造方法の一部を示す説明図である。図２３に示すように、第３実施例では、アノード側拡散層８２０を形成するための材料に対して、アノード中流領域に配置される部分をつぶすようにプレス圧縮加工が施される。これにより、アノード側拡散層８２０の表面が、アノード中流領域に配置される部分が他の部分よりへこんだ形状となる。その後、へこみが形成されたアノード側拡散層８２０の表面上に、アノード側触媒層８０４が形成される。アノード側触媒層８０４の形成は、例えば、アノード側拡散層８２０の表面上に触媒インクをスキージを用いて塗布することにより実現される。このようにアノード側触媒層８０４を形成することにより、アノード中流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さＴＣｍは、アノード上流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さＴＣｕおよびアノード下流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さＴＣｌよりも厚くなると共に、アノード側拡散層８２０とアノード側触媒層８０４とをあわせた厚さは、各領域で略同一となる。
FIG. 23 is an explanatory view showing a part of the manufacturing method of the fuel cell of the third embodiment. As shown in FIG. 23, in the third embodiment, the material for forming the anode
以上説明したように、第３実施例の燃料電池では、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の拡散抵抗が、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側拡散層８２０の拡散抵抗より大きくなっているため、第２実施例と同様に、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗がアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくなる。また、第３実施例の燃料電池では、アノード中流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さが、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さよりも厚くなっているため、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗がアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗よりさらに大きくなる。そのため、第３実施例の燃料電池では、比較的多くの生成水（水蒸気）がアノード上流領域においてカソード側からアノード側に移動し、アノード中流領域におけるアノード側からカソード側への水蒸気の移動は抑制され、比較的多くの水蒸気がアノード側のアノード下流領域に達しカソード側に移動するため、アノード下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥が十分に抑制され、発電性能の低下が十分に抑制される。
As described above, in the fuel cell of the third embodiment, the diffusion resistance of the anode
図２４は、第３実施例の燃料電池の発電性能を調べる実験結果の一例を示す説明図である。図２４には、アノード側拡散層８２０の厚さが各領域を通じて同一であると共にアノード側触媒層８０４の厚さも各領域を通じて同一である比較例の燃料電池と、第３実施例の燃料電池とを対象にして、冷却水温度と総出力との関係を調べた実験結果を示している。図２４に示すように、第３実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池と比較して、特に高温運転時において出力低下が抑制されている。
FIG. 24 is an explanatory diagram showing an example of experimental results for examining the power generation performance of the fuel cell of the third embodiment. FIG. 24 shows a fuel cell of the comparative example in which the thickness of the anode
また、燃料電池において、単に、アノード中流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さを、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さよりも厚くすると、アノード上流領域およびアノード下流領域において、アノード側触媒層８０４とアノード側拡散層８２０との接触性が悪化し、燃料電池の電気的特性や排水特性が悪化する恐れがある上に、アノード側触媒層８０４の厚さを領域によって塗り分ける必要があるために製造工程が煩雑となる。第３実施例の燃料電池では、アノード中流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さが、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側触媒層８０４の厚さよりも厚くなっていると共に、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の厚さが、アノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側拡散層８２０の厚さよりも薄くなっているため、燃料電池の電気的特性や排水特性の悪化や製造工程の煩雑化を抑制しつつ、アノード下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥が十分に抑制され、発電性能の低下が十分に抑制される。
Further, in the fuel cell, when the thickness of the anode
Ｄ．第４実施例：
図２５は、第４実施例の燃料電池を構成するアノード側流路層８６０の平面構成を示す説明図である。第４実施例におけるアノード側流路層８６０は、第１実施例のアノード側多孔体流路層８４０と同様に、燃料ガス流路層として機能する。すなわち、第４実施例の燃料電池においても、燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、図２５において矢印で示すように、アノード側流路層８６０の内部を燃料ガス排出マニホールド１４０に向かう方向に沿って流動し、燃料ガス排出マニホールド１４０へと排出される。アノード側流路層８６０を流動する燃料ガスは、アノード側流路層８６０に当接しているアノード側拡散層８２０の全体に亘って拡散し、発電体層８１０のアノードに供給され、アノード反応に供される。D. Fourth embodiment:
FIG. 25 is an explanatory view showing a planar configuration of the anode side
また、アノード側流路層８６０は、第１実施例のアノード側多孔体流路層８４０と同様に、アノード上流領域およびアノード下流領域に、ガス流路が閉塞されガス流動抵抗の大きい閉塞部（不図示）を有している。そのため、第４実施例の燃料電池では、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗が、アノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくなっている。
In addition, the anode-
図２６は、第４実施例の燃料電池を構成するカソード側流路層８７０の平面構成を示す説明図である。第４実施例におけるカソード側流路層８７０は、第１実施例のカソード側多孔体流路層８５０と同様に、酸化ガス流路層として機能する。すなわち、第４実施例の燃料電池においても、酸化ガス供給マニホールド１１０に供給された酸化ガスは、図２６において矢印で示すように、カソード側流路層８７０の内部を酸化ガス排出マニホールド１２０に向かう方向に沿って流動し、酸化ガス排出マニホールド１２０へと排出される。カソード側流路層８７０を流動する酸化ガスは、カソード側流路層８７０に当接しているカソード側拡散層８３０の全体に亘って拡散し、発電体層８１０のカソードに供給され、カソード反応に供される。
FIG. 26 is an explanatory diagram showing a planar configuration of the cathode-
図２６に示すように、カソード側流路層８７０は、複数の突起が形成されたエンボス部ＥＰと、酸化ガス流れ方向に略平行な複数のリブＲによって複数の溝が形成された溝部ＧＰと、を有している。カソード側流路層８７０において、エンボス部ＥＰは、アノード上流領域（すなわちカソード下流領域）とアノード下流領域（すなわちカソード上流領域）とに配置されており、溝部ＧＰは、アノード中流領域（すなわちカソード中流領域）に配置されている。エンボス部ＥＰは、複数の突起を有することにより、突起の無い部分が網目状に連続した空間を有しており、酸化ガスを面方向に均一に分配する機能を奏する。溝部ＧＰは、酸化ガスを、酸化ガス供給マニホールド１１０から酸化ガス排出マニホールド１２０に向かう方向に効率的に流動させる機能を奏する。
As shown in FIG. 26, the cathode-
なお、アノード側流路層８６０およびカソード側流路層８７０は、例えば、ステンレスやチタンの平板をプレス加工することにより製造される。あるいは、アノード側流路層８６０およびカソード側流路層８７０は、カーボンといった他の導電性材料を用いて製造されるとしてもよい。
The anode-
また、図２５および図２６に示すように、第４実施例の燃料電池は、外形や各マニホールド（酸化ガス供給マニホールド１１０、酸化ガス排出マニホールド１２０、燃料ガス供給マニホールド１３０、燃料ガス排出マニホールド１４０、冷却媒体供給マニホールド１５０、冷却媒体排出マニホールド１６０）の位置が第１実施例とは若干異なっているが、本実施例で記載した事項を除き、その構成や作用効果は第１実施例の燃料電池と同様である。
Further, as shown in FIGS. 25 and 26, the fuel cell of the fourth embodiment has external shapes and manifolds (oxidizing
第４実施例のカソード側流路層８７０では、アノード上流領域側（カソード下流領域側）にエンボス部ＥＰが配置されており、当該エンボス部ＥＰにおいて酸化ガスの流速が低下するため、当該エンボス部ＥＰに液水が滞留しやすくなっている。そのため、第４実施例の燃料電池では、アノード上流領域（カソード下流領域）において、カソード側で水が不足することが抑制され、カソード側からアノード側への水移動が効率よく行われる。従って、第４実施例の燃料電池では、アノード上流領域においてカソード側からアノード側に水が効率よく移動し、アノード中流領域におけるアノード側からカソード側への水の移動は抑制され、比較的多くの水がアノード側のアノード下流領域に達しカソード側に移動するため、アノード下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥が十分に抑制され、発電性能の低下が十分に抑制される。
In the cathode side
Ｅ．第５実施例：
図２７は、第５実施例の燃料電池を構成するアノード側流路層８８０の平面構成を示す説明図である。第５実施例におけるアノード側流路層８８０は、第１実施例のアノード側多孔体流路層８４０と同様に、燃料ガス流路層として機能する。すなわち、第５実施例の燃料電池においても、燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、アノード側流路層８８０の内部を燃料ガス排出マニホールド１４０に向かう方向に沿って流動し、燃料ガス排出マニホールド１４０へと排出される。アノード側流路層８８０を流動する燃料ガスは、アノード側流路層８８０に当接しているアノード側拡散層８２０の全体に亘って拡散し、発電体層８１０のアノードに供給され、アノード反応に供される。E. Example 5:
FIG. 27 is an explanatory view showing a planar configuration of the anode side
図２７に示すように、アノード側流路層８８０は、複数の突起が形成されたエンボス部ＥＰと、燃料ガス流れ方向に略平行な複数のリブＲによって複数の溝が形成された溝部ＧＰと、を有している。アノード側流路層８８０において、エンボス部ＥＰは、アノード上流領域とアノード下流領域とに配置されており、溝部ＧＰは、アノード中流領域に配置されている。エンボス部ＥＰは、複数の突起を有することにより、突起の無い部分が網目状に連続した空間を有しており、燃料ガスを面方向に均一に分配する機能を奏する。溝部ＧＰは、燃料ガスを、燃料ガス供給マニホールド１３０から燃料ガス排出マニホールド１４０に向かう方向に効率的に流動させる機能を奏する。
As shown in FIG. 27, the anode-
図２８ないし図３０は、第５実施例の燃料電池の断面構成を示す説明図である。図２８には図２７のＡ１−Ａ１の位置における燃料電池の断面を示しており、図２９には図２７のＢ１−Ｂ１の位置における断面を示しており、図３０には図２７のＣ１−Ｃ１の位置における断面を示している。図２８ないし図３０に示すように、第５実施例の燃料電池では、カソード側流路層８５２も、アノード側流路層８８０と同様に、エンボス部ＥＰと溝部ＧＰとを有する構成となっている。また、あるセルのアノード側流路層８８０と隣接セルのカソード側流路層８５２との間には、冷却媒体流路８９０が形成されている。
28 to 30 are explanatory views showing a cross-sectional configuration of the fuel cell of the fifth embodiment. FIG. 28 shows a cross section of the fuel cell at the position A1-A1 in FIG. 27, FIG. 29 shows a cross section at the position B1-B1 in FIG. 27, and FIG. The cross section in the position of C1 is shown. As shown in FIGS. 28 to 30, in the fuel cell of the fifth embodiment, the cathode side
なお、アノード側流路層８８０およびカソード側流路層８５２は、例えば、ステンレスやチタンの平板をプレス加工することにより製造される。あるいは、アノード側流路層８８０およびカソード側流路層８５２は、カーボンといった他の導電性材料を用いて製造されるとしてもよい。また、カソード側流路層８５２は、必ずしもエンボス部ＥＰと溝部ＧＰとを有する構成である必要はない。
The anode-
図２７に示すように、アノード側流路層８８０の溝部ＧＰにおいて、アノード上流領域のエンボス部ＥＰに近い部分（以下、「アノード上流側溝部」と呼ぶ）８８２と、アノード下流領域のエンボス部ＥＰに近い部分（以下、「アノード下流側溝部」と呼ぶ）８８６とは、リブＲによって形成された溝状の流路が燃料ガス流れ方向の途中で閉塞された構成となっている。すなわち、アノード上流側溝部８８２およびアノード下流側溝部８８６に形成された流路は、燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有する閉塞流路となっている。一方、アノード側流路層８８０の溝部ＧＰのその他の部分（すなわち、アノード中流領域に相当する部分、以下、「アノード中流溝部」と呼ぶ）８８４は、リブＲによって形成された溝状の流路が燃料ガス流れ方向に沿って閉塞されていない構成となっている。すなわち、アノード中流溝部８８４に形成された流路は、燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有しない直線状の流路となっている。
As shown in FIG. 27, in the groove portion GP of the anode side
図２７に示すように、アノード中流溝部８８４は、アノード中流溝部８８４の各溝流路がアノード上流側溝部８８２のリブＲの延長線上に配置されるように構成されている。また、アノード中流溝部８８４の各リブＲにおけるアノード上流側溝部８８２に近い側（上流側）の先端部分は、各リブＲの中央部と比較して径（幅）が細くなっている。
As shown in FIG. 27, the anode middle
同様に、アノード下流側溝部８８６は、アノード下流側溝部８８６の各溝流路がアノード中流溝部８８４のリブＲの延長線上に配置されるように構成されている。また、アノード中流溝部８８４の各リブＲにおけるアノード下流側溝部８８６に近い側（下流側）の先端部分は、各リブＲの中央部と比較して径（幅）が細くなっている。
Similarly, the anode
なお、図２７に示すように、第５実施例の燃料電池は、外形や各マニホールドの位置が第１実施例とは若干異なっているが、本実施例で記載した事項を除き、その構成や作用効果は第１実施例の燃料電池と同様である。 As shown in FIG. 27, the fuel cell of the fifth embodiment is slightly different from the first embodiment in the outer shape and the position of each manifold. The effect is the same as that of the fuel cell of the first embodiment.
第５実施例のアノード側流路層８８０では、溝部ＧＰのアノード上流側溝部８８２およびアノード下流側溝部８８６において、リブＲによって形成された溝状の流路が燃料ガス流れ方向の途中で閉塞された構成となっているため、アノード上流領域およびアノード下流領域において、アノード側流路層８８０からアノード側拡散層８２０への燃料ガスの流動が促進される。一方、溝部ＧＰのアノード中流溝部８８４において、リブＲによって形成された溝状の流路が燃料ガス流れ方向の途中で閉塞されていない構成となっているため、アノード中流領域においては、アノード側流路層８８０からアノード側拡散層８２０への燃料ガスの流動が促進されることはない。そのため、第５実施例の燃料電池では、第１実施例と同様に、アノード中流領域におけるアノード側からカソード側への水蒸気移動抵抗がアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくなる。そのため、第５実施例の燃料電池では、比較的多くの生成水（水蒸気）がアノード上流領域においてカソード側からアノード側に移動し、アノード中流領域におけるアノード側からカソード側への水蒸気の移動は抑制され、比較的多くの水蒸気がアノード側のアノード下流領域に達しカソード側に移動するため、アノード下流領域を含む発電領域の全体にわたって乾燥が十分に抑制され、発電性能の低下が十分に抑制される。
In the anode-
また、第５実施例の燃料電池では、溝部ＧＰの構成が、アノード上流側溝部８８２と、アノード中流溝部８８４と、アノード下流側溝部８８６との３つに分割されているため、アノード上流領域およびアノード下流領域においてアノード側流路層８８０からアノード側拡散層８２０への燃料ガスの流動の流速が増加され、上述した発電領域の全体にわたって乾燥が十分に抑制され発電性能の低下が十分に抑制されるという効果が促進される。また、アノード上流領域およびアノード下流領域においてアノード側流路層８８０からアノード側拡散層８２０への燃料ガスの流動の流速が増加されるため、アノード上流側溝部８８２およびアノード下流側溝部８８６の閉塞部（行き止まり部）における水の滞留を抑制することができる。
Further, in the fuel cell of the fifth embodiment, the configuration of the groove portion GP is divided into three parts of an anode
また、第５実施例の燃料電池では、アノード中流溝部８８４の各溝流路はアノード上流側溝部８８２のリブＲの延長線上に配置され、アノード中流溝部８８４の各リブＲにおけるアノード上流側溝部８８２に近い側の先端部分は径が細くなっているため、アノード中流溝部８８４の各溝状流路に流れる燃料ガスの均等化が促進され、面方向における発電の均等化が促進される。
Further, in the fuel cell of the fifth embodiment, each groove flow path of the anode intermediate
また、第５実施例の燃料電池では、アノード下流側溝部８８６の各溝流路はアノード中流溝部８８４のリブＲの延長線上に配置され、アノード中流溝部８８４の各リブＲにおけるアノード下流側溝部８８６に近い側の先端部分は径が細くなっているため、アノード中流溝部８８４のすべての溝状流路からアノード下流側溝部８８６の各溝状流路の供給側に燃料ガスが供給されやすくなり、面方向における発電の均等化が促進される。
In the fuel cell of the fifth embodiment, each groove flow path of the anode
Ｆ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。F. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
Ｆ１．変形例１：
上記各実施例では、アノード上流領域およびアノード下流領域においてアノード側多孔体流路層８４０に閉塞部８４２を形成したり、アノード中流領域においてアノード側拡散層８２０の拡散抵抗を大きくしたりして、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくしていたが、他の構成によってアノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくしても、上記各実施例と同様に、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制し発電性能の低下を十分に抑制することができるという効果を得ることができる。例えば、アノード中流領域におけるアノード（アノード触媒層）の触媒担持カーボン量に対するアイオノマー量の比（以下、Ｉ／Ｃ値と呼ぶ）がアノード上流領域およびアノード下流領域におけるＩ／Ｃ値より大きくなるように各領域における触媒担持カーボン量やアイオノマー量が設定された構成を採用してもよい。図３１は、触媒層のＩ／Ｃ値と両極間の水移動量との関係を示す説明図である。図３１に示すように、Ｉ／Ｃ値が大きいほど両極間の水（水蒸気）移動量は少ない（すなわち、両極間の水蒸気移動抵抗は大きい）。これは、Ｉ／Ｃ値が大きいほど、触媒層における空隙率が小さくなり（すなわち、触媒層内の表面積が小さくなり）、水分蒸発量が少なくなるからである。従って、アノード中流領域におけるＩ／Ｃ値をアノード上流領域およびアノード下流領域におけるＩ／Ｃ値より大きくすれば、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができ、その結果、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制し発電性能の低下を十分に抑制することができるという効果を得ることができる。F1. Modification 1:
In each of the above embodiments, the
また、アノード中流領域における電解質膜のイオン交換容量（ＩＥＣ）の値がアノード上流領域およびアノード下流領域におけるＩＥＣの値より小さい電解質膜を用いた構成を採用してもよい。図３２は、電解質膜のＩＥＣの値と両極間の水移動量との関係を示す説明図である。図３２に示すように、ＩＥＣの値が小さいほど両極間の水（水蒸気）移動量は少ない（すなわち、両極間の水蒸気移動抵抗は大きい）。従って、アノード中流領域における電解質膜のＩＥＣの値をアノード上流領域およびアノード下流領域におけるＩＥＣの値より大きくすれば、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができ、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制し発電性能の低下を十分に抑制することができるという効果を得ることができる。 Further, a configuration using an electrolyte membrane in which the ion exchange capacity (IEC) value of the electrolyte membrane in the anode midstream region is smaller than the IEC values in the anode upstream region and the anode downstream region may be adopted. FIG. 32 is an explanatory diagram showing the relationship between the IEC value of the electrolyte membrane and the amount of water movement between the two electrodes. As shown in FIG. 32, the smaller the IEC value, the smaller the amount of water (water vapor) movement between the two electrodes (that is, the larger the water vapor movement resistance between the two electrodes). Therefore, if the IEC value of the electrolyte membrane in the anode midstream region is larger than the IEC value in the anode upstream region and the anode downstream region, the water vapor transfer resistance in the anode midstream region is larger than the water vapor transfer resistance in the anode upstream region and anode downstream region. Thus, it is possible to obtain an effect that drying is sufficiently suppressed over the entire power generation region of the fuel cell, and a decrease in power generation performance can be sufficiently suppressed.
また、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の厚さをアノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側拡散層８２０の厚さより厚くした構成を採用してもよい。アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の厚さをアノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノード側拡散層８２０の厚さより厚くすれば、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができ、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制し発電性能の低下を十分に抑制することができるという効果を得ることができる。
Further, a configuration in which the thickness of the anode
また、アノード中流領域におけるアノード（アノード触媒層）の厚さをアノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノードの厚さより厚くした構成を採用してもよい。アノード中流領域におけるアノードの厚さをアノード上流領域およびアノード下流領域におけるアノードの厚さより厚くすれば、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができ、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制し発電性能の低下を十分に抑制することができるという効果を得ることができる。 Further, a configuration in which the thickness of the anode (anode catalyst layer) in the anode middle stream region is thicker than the anode thickness in the anode upstream region and the anode downstream region may be adopted. If the anode thickness in the anode midstream region is made larger than the anode thickness in the anode upstream region and anode downstream region, the water vapor transfer resistance in the anode intermediate region can be made larger than the water vapor transfer resistance in the anode upstream region and anode downstream region. Further, it is possible to obtain an effect that drying can be sufficiently suppressed over the entire power generation region of the fuel cell, and a decrease in power generation performance can be sufficiently suppressed.
Ｆ２．変形例２：
上記第２実施例では、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０のＰＴＦＥ含有率をアノード上流領域およびアノード下流領域におけるＰＴＦＥ含有率より大きくすることにより、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の緻密度をアノード上流領域およびアノード下流領域における緻密度より大きくしているが、アノード中流領域においてアノード側拡散層８２０をプレス圧縮加工したり基材繊維密度のより大きいアノード側拡散層８２０を用いたりすることにより、アノード中流領域におけるアノード側拡散層８２０の緻密度をアノード上流領域およびアノード下流領域における値より大きくするとしてもよい。このようにしても、第２実施例と同様に、アノード中流領域における水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることができ、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥を十分に抑制し発電性能の低下を十分に抑制することができるという効果を得ることができる。F2. Modification 2:
In the second embodiment, the density of the anode-
Ｆ３．変形例３：
上記各実施例では、アノード上流領域は、発電領域ＤＡの燃料ガス流れ方向に沿った全幅の４分の１の幅を有し、アノード下流領域は、当該全幅の８分の１の幅を有し、アノード中流領域は、残りの幅（すなわち全幅の８分の５の幅）を有するとしているが、各領域の幅はこれに限られない。アノード上流領域は、発電領域ＤＡの内の燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む領域であればよく、アノード下流領域は、発電領域ＤＡの内の燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む領域であればよい。図３３は、アノード上流領域およびアノード下流領域の幅を種々変更した場合における燃料電池の性能試験結果の一例を示す説明図である。図３３に示す結果に基づけば、アノード上流領域は、発電領域ＤＡの燃料ガス流れ方向に沿った全幅の３分の１の幅以下であることが好ましく、アノード下流領域は、発電領域ＤＡの燃料ガス流れ方向に沿った全幅の６分の１の幅以下であることが好ましい。また、アノード中流領域は、発電領域ＤＡの燃料ガス流れ方向に沿った中央位置を含む領域であることが好ましい。F3. Modification 3:
In each of the above embodiments, the anode upstream region has a width of one quarter of the entire width along the fuel gas flow direction of the power generation region DA, and the anode downstream region has a width of one eighth of the total width. The anode midstream region has the remaining width (that is, the width of 5/8 of the entire width), but the width of each region is not limited to this. The anode upstream region may be a region including the most upstream position along the fuel gas flow direction in the power generation region DA, and the anode downstream region is the most downstream position along the fuel gas flow direction in the power generation region DA. Any region that includes FIG. 33 is an explanatory diagram showing an example of a performance test result of the fuel cell when the widths of the anode upstream region and the anode downstream region are variously changed. Based on the results shown in FIG. 33, the anode upstream region is preferably equal to or less than one-third of the total width along the fuel gas flow direction of the power generation region DA, and the anode downstream region is the fuel of the power generation region DA. It is preferable that the width is not more than one-sixth of the total width along the gas flow direction. The anode middle stream region is preferably a region including a central position along the fuel gas flow direction of the power generation region DA.
Ｆ４．変形例４：
上記各実施例において、燃料電池１００はカウンターフロー型であり、図８に示すように、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが逆向き（２つの方向のなす角が１８０度）であるとしているが、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向との関係は対向する関係であればよく、完全に逆向きの関係である必要はない。燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが対向する関係であるとは、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とが同一でない（すなわち、平行ではない）ことを意味する。燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向との関係は、発電領域ＤＡの燃料ガス流れ方向に沿った上流側半分の領域と酸化ガス流れ方向に沿った下流側半分の領域との積層方向から見た重なりが、各領域の過半を超える関係であることが好ましい。燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とのなす角は、１８０度±６０度の範囲にあることが好ましく、１８０度±３０度の範囲にあることがさらに好ましい。F4. Modification 4:
In each of the above embodiments, the
図３４は、変形例における燃料電池１００の平面を示す説明図である。図３４に示した燃料電池１００では、燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とがなす角は約１３０度となっている。このような燃料電池１００であっても、アノード側のアノード上流領域の多くとカソード側のカソード下流領域の多くとが積層方向に対峙するため、アノード中流領域における両極間の水蒸気移動抵抗をアノード上流領域およびアノード下流領域における水蒸気移動抵抗より大きくすることにより、燃料電池の発電領域の全体にわたって乾燥が十分に抑制され、発電性能の低下が十分に抑制される。
FIG. 34 is an explanatory view showing a plane of the
Ｆ５．変形例５：
上記各実施例では、積層部８００の各部材やセパレータ６００の各部材の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、アノード側多孔体流路層８４０およびカソード側多孔体流路層８５０を、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。また、セパレータ６００は、金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。F5. Modification 5:
In each said Example, although the material of each member of the lamination | stacking
また、上記各実施例では、セパレータ６００は３層の金属板を積層した構成であり、その発電領域ＤＡに対応する部分が平坦な形状であるとしているが、これに代えて他の任意の形状とすることが可能である。具体的には、発電領域に対応する表面に溝状の反応ガス流路が形成されたセパレータ（例えば、カーボンで作製される）を採用してもよいし、発電領域に対応する部分に反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータ（例えば、金属板をプレス成形して作製される）を採用してもよい。
Further, in each of the above embodiments, the
また、上記各実施例では、積層部８００は、発電体層８１０、アノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０、アノード側多孔体流路層８４０およびカソード側多孔体流路層８５０から構成されているが、これに限られない。例えば、反応ガス流路が形成されたセパレータや、反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータを用いる場合には、アノード側およびカソード側多孔体は無くてもよい。
Further, in each of the above-described embodiments, the stacked
１００…燃料電池
１１０…酸化ガス供給マニホールド
１２０…酸化ガス排出マニホールド
１３０…燃料ガス供給マニホールド
１４０…燃料ガス排出マニホールド
１５０…冷却媒体供給マニホールド
１６０…冷却媒体排出マニホールド
２００…発電モジュール
３００…アノードプレート
３２２…マニホールド形成部
３５０…燃料ガス供給スリット
３５４…燃料ガス排出スリット
４００…カソードプレート
４２２…マニホールド形成部
４４０…酸化ガス供給スリット
４４４…酸化ガス排出スリット
５００…中間プレート
５２２…マニホールド形成部
５２４…マニホールド形成部
５２６…マニホールド形成部
５２８…マニホールド形成部
５４２…酸化ガス供給流路形成部
５４４…酸化ガス排出流路形成部
５４６…燃料ガス供給流路形成部
５４８…燃料ガス排出流路形成部
５５０…冷却媒体流路形成部
６００…セパレータ
６３０…燃料ガス供給流路
６４０…燃料ガス排出流路
６５０…酸化ガス供給流路
６６０…酸化ガス排出流路
６７０…冷却媒体流路
７００…シール部材
７１０…支持部
７２０…リブ
８００…積層部
８０２…電解質膜
８０４…アノード側触媒層
８０６…カソード側触媒層
８１０…発電体層
８２０…アノード側拡散層
８３０…カソード側拡散層
８４０…アノード側多孔体流路層
８４２…閉塞部
８５０…カソード側多孔体流路層
８５２…カソード側流路層
８６０…アノード側流路層
８７０…カソード側流路層
８８０…アノード側流路層
８９０…冷却媒体流路DESCRIPTION OF
Claims (12)
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層と、を備え、
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、
前記燃料ガス流路層は、前記上流領域および前記下流領域におけるガス流動抵抗が前記中流領域におけるガス流動抵抗より大きく構成されている、燃料電池。 A fuel cell,
A power generator layer including an electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane;
A fuel gas flow that is disposed on the anode side of the power generation layer and supplies the fuel gas to the anode while flowing the fuel gas along a fuel gas flow direction substantially perpendicular to a stacking direction in which the layers of the fuel cell are stacked. Road layer,
An oxidant gas passage layer disposed on the cathode side of the power generation layer and supplying the oxidant gas to the cathode while flowing the oxidant gas along the oxidant gas flow direction opposite to the fuel gas flow direction;
An anode-side diffusion layer disposed between the anode and the fuel gas flow path layer ,
An upstream region including a most upstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region, which is a region where power generation is performed in the fuel cell, and a downstream region including a most downstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region; in comparison, midstream region and the remaining region of the power generation region is water vapor transfer resistance between the cathode side and the anode side is rather large,
The fuel gas channel layer is configured to be configured such that a gas flow resistance in the upstream region and the downstream region is larger than a gas flow resistance in the middle flow region .
前記上流領域および前記下流領域における前記燃料ガス流路層に、ガス流路が閉塞された閉塞部が形成されている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 ,
A fuel cell in which a closed portion in which a gas flow path is closed is formed in the fuel gas flow path layer in the upstream area and the downstream area.
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、 A power generator layer including an electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane;
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、 A fuel gas flow that is disposed on the anode side of the power generation layer and supplies the fuel gas to the anode while flowing the fuel gas along a fuel gas flow direction substantially perpendicular to a stacking direction in which the layers of the fuel cell are stacked. Road layer,
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、 An oxidant gas passage layer disposed on the cathode side of the power generation layer and supplying the oxidant gas to the cathode while flowing the oxidant gas along the oxidant gas flow direction opposite to the fuel gas flow direction;
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層と、を備え、 An anode-side diffusion layer disposed between the anode and the fuel gas flow path layer,
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、 An upstream region including a most upstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region, which is a region where power generation is performed in the fuel cell, and a downstream region including a most downstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region; In comparison, the midstream region, which is the remaining region of the power generation region, has a large water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side,
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における拡散抵抗が前記上流領域および前記下流領域における拡散抵抗より大きく構成されている、燃料電池。 The anode-side diffusion layer is a fuel cell in which a diffusion resistance in the midstream region is greater than a diffusion resistance in the upstream region and the downstream region.
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における緻密度が前記上流領域および前記下流領域における緻密度より大きい、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 , wherein
The anode-side diffusion layer is a fuel cell in which a density in the midstream region is larger than a density in the upstream region and the downstream region.
前記アノード側拡散層は、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 , wherein
The anode-side diffusion layer is a fuel cell in which the thickness in the middle flow region is thicker than the thickness in the upstream region and the downstream region.
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、 A power generator layer including an electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane;
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、 A fuel gas flow that is disposed on the anode side of the power generation layer and supplies the fuel gas to the anode while flowing the fuel gas along a fuel gas flow direction substantially perpendicular to a stacking direction in which the layers of the fuel cell are stacked. Road layer,
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、を備え、 An oxidizing gas flow path layer that is disposed on the cathode side of the power generation layer and supplies the oxidizing gas to the cathode while allowing the oxidizing gas to flow along the oxidizing gas flow direction facing the fuel gas flow direction. ,
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、 An upstream region including a most upstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region, which is a region where power generation is performed in the fuel cell, and a downstream region including a most downstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region; In comparison, the midstream region, which is the remaining region of the power generation region, has a large water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side,
前記アノードは、前記中流領域における触媒担持カーボン量に対するアイオノマー量の比の値が前記上流領域および前記下流領域における前記比の値より大きい、燃料電池。 The anode is a fuel cell, wherein a value of a ratio of an ionomer amount to a catalyst-carrying carbon amount in the middle flow region is larger than a value of the ratio in the upstream region and the downstream region.
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、 A power generator layer including an electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane;
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、 A fuel gas flow that is disposed on the anode side of the power generation layer and supplies the fuel gas to the anode while flowing the fuel gas along a fuel gas flow direction substantially perpendicular to a stacking direction in which the layers of the fuel cell are stacked. Road layer,
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、を備え、 An oxidizing gas flow path layer that is disposed on the cathode side of the power generation layer and supplies the oxidizing gas to the cathode while allowing the oxidizing gas to flow along the oxidizing gas flow direction facing the fuel gas flow direction. ,
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、 An upstream region including a most upstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region, which is a region where power generation is performed in the fuel cell, and a downstream region including a most downstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region; In comparison, the midstream region, which is the remaining region of the power generation region, has a large water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side,
前記アノードは、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。 The anode is a fuel cell, wherein a thickness in the midstream region is larger than a thickness in the upstream region and the downstream region.
前記電解質膜は、前記中流領域におけるイオン交換容量が前記上流領域および前記下流領域におけるイオン交換容量より小さい、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
The electrolyte membrane is a fuel cell, wherein an ion exchange capacity in the midstream region is smaller than an ion exchange capacity in the upstream region and the downstream region.
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、 A power generator layer including an electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane;
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、 A fuel gas flow that is disposed on the anode side of the power generation layer and supplies the fuel gas to the anode while flowing the fuel gas along a fuel gas flow direction substantially perpendicular to a stacking direction in which the layers of the fuel cell are stacked. Road layer,
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、 An oxidant gas passage layer disposed on the cathode side of the power generation layer and supplying the oxidant gas to the cathode while flowing the oxidant gas along the oxidant gas flow direction opposite to the fuel gas flow direction;
前記アノードと前記燃料ガス流路層との間に配置されたアノード側拡散層と、を備え、 An anode-side diffusion layer disposed between the anode and the fuel gas flow path layer,
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、 An upstream region including a most upstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region, which is a region where power generation is performed in the fuel cell, and a downstream region including a most downstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region; In comparison, the midstream region, which is the remaining region of the power generation region, has a large water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side,
前記アノード側拡散層は、前記中流領域において圧縮されていることにより、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより薄く、 The anode side diffusion layer is compressed in the midstream region, so that the thickness in the midstream region is thinner than the thickness in the upstream region and the downstream region,
前記アノードは、前記中流領域における厚さが前記上流領域および前記下流領域における厚さより厚い、燃料電池。 The anode is a fuel cell, wherein a thickness in the midstream region is larger than a thickness in the upstream region and the downstream region.
前記酸化ガス流路層は、前記燃料電池の前記上流領域に配置されると共に水の滞留を促進する水滞留部を有する、燃料電池。 The fuel cell according to claim 2 , wherein
The oxidant gas flow path layer is disposed in the upstream region of the fuel cell and has a water retention part that promotes retention of water.
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されたアノードおよびカソードとを含む発電体層と、 A power generator layer including an electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane;
前記発電体層の前記アノード側に配置され、前記燃料電池の各層を積層する積層方向に略直交する燃料ガス流れ方向に沿って燃料ガスを流動させつつ前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路層と、 A fuel gas flow that is disposed on the anode side of the power generation layer and supplies the fuel gas to the anode while flowing the fuel gas along a fuel gas flow direction substantially perpendicular to a stacking direction in which the layers of the fuel cell are stacked. Road layer,
前記発電体層の前記カソード側に配置され、前記燃料ガス流れ方向に対向する酸化ガス流れ方向に沿って酸化ガスを流動させつつ前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路層と、を備え、 An oxidizing gas flow path layer that is disposed on the cathode side of the power generation layer and supplies the oxidizing gas to the cathode while allowing the oxidizing gas to flow along the oxidizing gas flow direction facing the fuel gas flow direction. ,
前記燃料電池において発電が行われる領域である発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最上流位置を含む上流領域および前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った最下流位置を含む下流領域と比較して、前記発電領域の残りの領域である中流領域は、前記アノード側と前記カソード側との間の水蒸気移動抵抗が大きく、 An upstream region including a most upstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region, which is a region where power generation is performed in the fuel cell, and a downstream region including a most downstream position along the fuel gas flow direction of the power generation region; In comparison, the midstream region, which is the remaining region of the power generation region, has a large water vapor transfer resistance between the anode side and the cathode side,
前記燃料ガス流路層は、前記燃料電池の前記上流領域および前記下流領域に、前記燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有する閉塞流路が形成されていると共に、前記燃料電池の前記中流領域に、前記燃料ガス流れ方向に沿った燃料ガスの流れを閉塞する部分を有しない直線状の流路が形成されている、燃料電池。 The fuel gas flow path layer has a closed flow path formed in the upstream region and the downstream region of the fuel cell, each of which includes a portion that blocks the flow of the fuel gas along the fuel gas flow direction. A fuel cell, wherein a linear flow path that does not have a portion that blocks the flow of the fuel gas along the fuel gas flow direction is formed in the middle flow region of the fuel cell.
前記中流領域は、前記発電領域の前記燃料ガス流れ方向に沿った中央位置を含む領域である、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 11 , wherein
The midstream region is a fuel cell that includes a central position of the power generation region along the fuel gas flow direction.
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